6.1.1 沥青混合料的强度特性
表征沥青混合料力学强度的参数是抗压强度、抗剪强度和抗拉(包括抗弯拉)强度。
一般沥青混合料均具有较高的抗压强度,而抗剪强度和抗拉强度则较低。因此,沥青路面的损坏,往往是由拉裂或滑移开始而逐渐扩展的。
1.抗剪强度
沥青混合料的剪切破坏可按摩尔-库仑原理进行分析。材料在外力作用下如不产生剪切破坏,则应具备下列条件:
式中:τmax为在外部荷载作用下,某一点所产生最大的剪应力,MPa;σ为在外部荷载作用下,在同一剪切面上的正应力,MPa;C为材料的黏聚力,MPa;φ为材料的内摩擦角,rad或度(°)。
沥青混合料的抗剪强度主要取决于沥青与矿料相互作用而产生的黏聚力,以及矿料在沥青混合料中相互嵌挤而产生的内摩擦角。
沥青混合料的黏聚力取决于许多因素,其中主要的是沥青黏滞度、沥青含量与矿粉含量的比值,以及沥青与矿料相互作用的特性。沥青的黏滞度越高,黏聚力就越大,因为高黏滞度的沥青能使沥青混合料的黏滞阻力增大,因而具有较高的抗剪强度。随着沥青含量增加,矿料颗粒间自由沥青含量增加,沥青混合料的黏聚力随即下降。在沥青与矿料的相界面上,由于分子的吸附作用,越靠近矿料表面,沥青的黏滞度越高。因此,矿料的比表面积和矿料周围沥青膜的厚度对沥青混合料的黏聚力有很大的影响。矿料颗粒越小,比表面积越大,包裹矿料颗粒的沥青膜越薄,黏聚力就越大。沥青的表面活性越强,矿料对沥青的亲和性越好,吸附作用就越强烈,黏聚力也越大。碱性的矿料与沥青黏结时,会发生化学吸附过程,在矿料与沥青接触面上形成新的化合物,因而黏聚力较高。酸性的矿料与沥青黏结时,不会形成化学吸附过程,黏聚力就较低。
矿料的级配、颗粒的形状和表面特性,都对沥青混合料的内摩阻力产生影响。随着颗粒尺寸的增大,内摩阻力也就增大。颗粒表面粗糙、棱角尖锐的混合料,由于颗粒相互嵌紧,其内摩阻力要比圆滑颗粒的混合料大得多。此外,沥青混合料中沥青的存在总是会降低矿质混合料的内摩阻力。沥青含量过多时,不仅内摩阻力显著地降低,而且黏聚力也下降。
2.抗拉强度
在气候较寒冷地区,冬季气温下降,特别是急剧降温时,沥青混合料发生收缩,如果收缩受阻,就会产生拉应力,若该应力超过沥青混合料的抗拉强度,路面就会产生开裂。
沥青混合料的抗拉强度,可以采用直接拉伸试验或间接拉伸——劈裂试验测定。沥青混合料劈裂试验施加荷载时大都是沿垂直直径的平面产生拉力劈裂而开始破坏,沥青混合料的极限抗拉强度可由式(6.2)求得:
式中:Pmax为破坏荷载,kN;t为劈裂试件厚度,m;d为劈裂试件直径,m。
沥青混合料在低温下的抗拉强度与沥青的性质、沥青含量、矿质混合料的级配、测试时的温度等因素有关。试验表明,沥青的黏滞度大或沥青含量较高时,沥青混合料具有较高的抗拉强度。密级配混合料的抗拉强度较开级配混合料高。在低温下沥青混合料的抗拉强度随温度降低而提高,形成一个峰值,即脆化点,低于脆化点后则强度下降。
3.抗弯拉强度
沥青路面在行车重复荷载作用下,往往因路面弯曲而产生开裂破坏,因此,必须验算沥青混合料的抗弯拉强度。
沥青混合料的抗弯拉强度通过室内梁式试件在简支条件下的受力情况测定。
沥青混合料的抗弯拉强度为
式中:P为最大荷载,kN;b为试件宽度,m;h为试件高度,m;L为跨径,m。
沥青混合料的抗弯拉强度,取决于所用材料的性质(沥青的性质、沥青的用量、矿料的性质、混合料的均匀性)及结构破坏过程的加荷状况(重复次数、应力增长速度等)。此外,计算时期的温度状况对抗弯拉强度也有很大的影响。